CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về asen
1.1.3.1. Các phương pháp xử lý trên Thế giới
a) Các phương pháp hóa học:
- Thơng thường xử lý As (V) có hiệu quả hơn xử lý As (III). Nhiều hệ thống xử lý
bao gồm cả bước oxy hóa chuyển đổi As(III) thành As(V). Q trình oxy hóa khơng loại bỏ asen khỏi dung dịch nhưng nâng cao hiệu quả các quá trình xử lý tiếp theo như cộng kết tủa, hấp phụ, lọc,…
- Oxy hóa bằng khơng khí [8]: Q trình diễn ra chậm, thời gian đến hàng tuần. Q
trình oxy hóa có thể được xúc tác bằng vi khuẩn, axit mạnh hoặc dung dịch kiềm, đồng, bột cacbon hoạt tính và nhiệt độ cao.
- Oxy hóa bằng tác nhân hóa học [9]: Oxy hóa trực tiếp bởi nhiều chất khác như
Clo, hypoclorit, ozon, permanganate, H2O2, tác nhân Fenton(H2O2/Fe2+). - Oxy hóa và loại asen bằng năng lượng mặt trời (SORAS)[6]:
Sử dụng phản ứng oxy hóa quang hóa As(III) thành As(V) nhờ ánh sáng mặt trời, sau đó tách As(V) ra khỏi nước nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe(III).
Ưu điểm:
- Chi phí đối với phương pháp này gần như không đáng kể, dễ dàng áp dụng đối với các hộ ở nông thôn;
- Sử dụng nguồn lực sẵn có tại địa phương;
- Có thể loại bỏ được thêm sắt trong nguồn nước cấp;
- Hiệu suất 50-70% và do đó, nước có nồng độ As 100-150μg/L áp dụng rất phù hợp;
- Khơng sử dụng thêm hóa chất vì vậy khơng ảnh hưởng tới mùi vị của nước. Nhược điểm: Cần phải có một lượng lớn chai nhựa PET (Polyethylene
terephthalate) và phải vệ sinh chai thường xun. Vì vậy khơng đươc thuận tiện trong quá trình sử dụng.
b) Các phương pháp hóa lý:
- Kết tủa và lọc [13]: Muối nhôm và Sắt được thêm vào nước sẽ hình thành
hydroxit khơng tan. Những hydroxit kim loại kết tủa kéo theo asen theo cơ chế cộng kết – hấp phụ. Hiệu quả xử lý ở quy mơ phịng thí nghiệm có thể đạt tới 99% ở các
điều kiện tối ưu và nồng độ asen còn dưới 1ppb. Còn với các hệ thống xử lý thực tiễn ngồi hiện trường thì hiệu quả xử lý thấp hơn trong khoảng 59-90%.
- Làm mềm bằng vơi: Q trình làm mềm nước bằng vơi có hiệu quả trong việc loại bỏ các ion gây độ cứng đồng thời cũng có hiệu quả trong việc loại bỏ asen tương tự như quá trình kết tủa với muối kim loại. Làm mềm bằng vơi là q trình vơi thủy phân và kết hợp với axit cacbonic tạo ra canxi cacbonat, hoạt động như là tác nhân hấp phụ đối với việc xử lý asen.
Ưu điểm:
- Phương pháp đơn giản, dễ sử dụng;
- Hóa chất rẻ tiền, dễ kiếm;
- Hiệu quả xử lý cao, có thể xử lý được nhiều kim loại;
- Áp dụng cho các nhà máy có quy mơ lớn. Nhược điểm:
- Tạo ra nhiều bùn thải kim loại. Vì vậy, tốn nhiều kinh phí trong việc xử lý, chơn lấp đưa bùn đi xử lý;
- Với nồng độ cao thì phương pháp này khơng phù hợp để áp dụng.
- Trao đổi ion: các ion được trao đổi giữa pha động là dung dịch chứa As và pha
tĩnh là nhựa trao đổi ion. Để loại As bằng phương pháp trao đổi ion, nước nhiễm As được cho chảy qua cột nhồi chất trao đổi dưới áp suất. Nhựa trao đổi là loại anion có tính bazơ mạnh (dạng clorua hay hydroxit) và ổn định ở khoảng pH = 6,5 - 9. Hiệu quả của quá trình loại As phụ thuộc vào pH của dung dịch và làm lượng của các ion khác trong dung dịch. Ái lực của nhựa trao đổi đối với các ion giảm theo thứ tự sau: SO42- > HAsO4- > NO3- > NO2- > Cl-. Sự có mặt của sắt trong dung dịch cũng ảnh hưởng đến khả năng loại As. Trong quá trình trao đổi, hiện tượng nồng độ As đầu ra cao hơn đầu vào có thể xảy ra. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự có mặt của ion sulfat trong dung dịch và khả năng trao đổi ion đã bão hịa. Ion sulfat có thể giải hấp As khi được đi qua cột trao đổi. Chu kì hoạt động và tái sinh nhựa trao đổi được đưa ra trên cơ sở kết quả thực nghiệm trên. Quá trình tái sinh nhựa trao đổi gồm 4 bước: rửa nhựa, tái sinh bằng dung dịch NaCl (đối với nhựa clorua) bằng
dung dịch NaOH (đối với nhựa hydroxit), rửa nhẹ bằng nước và bước thứ 4 là sục nước sạch qua để làm sạch nhựa [34]
Ưu điểm:
- Có thể sử dụng muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion khi đã bão hịa As;
- Q trình xử lý khơng phụ thuộc vào pH;
- Khả năng trao đổi ion lớn, hiệu quả xử lý kim loại cao;
- Có khả năng thu hồi kim loại có giá trị, khơng tạo ra chất thải thứ cấp. Nhược điểm:
Công nghệ trao đổi phức tạp, chi phí cao, cơng nghệ cao vì vậy ít có khả năng áp dụng cho từng hộ riêng lẻ.
c) Phương pháp hấp phụ:
Hấp phụ bằng nhơm hoạt hóa [48].
Nhơm hoạt hóa được sử dụng có hiệu quả để xử lý nước có hàm lượng chất rắn hịa tan cao. Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất của Selen, Florua, Clorua, Sunfat với hàm lượng cao, chúng có thể cạnh tranh hấp phụ. Nhơm hoạt hóa có tính lựa chọn cao đối với As(V), vì vậy mỗi lần xử lý có thể giảm tới 5 - 10% khả năng hấp phụ. Cần hoàn nguyên và thay thế vật liệu lọc khi sử dụng.
Cột lọc hấp phụ với nhơm hoạt hóa dùng cho giếng khoan bơm tay được thiết kế bởi các nhà khoa học Ấn Độ. Các chun gia đã chọn nhơm hoạt hóa làm vật liệu hấp phụ, dựa trên đặc tính lựa chọn và cơng suất hấp phụ cao đối với asen, khả năng hồn ngun, nguồn cung cấp sẵn có và bỏ qua được yêu cầu sử dụng hóa chất. Phương pháp này tương đối thuận lợi, nhất là cho các vùng nông thôn nghèo. Chỉ cần đổ nước giếng cần xử lý qua lớp vật liệu lọc. Thời gian làm việc của thiết bị phụ thuộc vào chất lượng nước và hàm lượng sắt trong nước nguồn. Hàm lượng sắt trong nước nguồn càng cao, hiệu suất khử asen càng cao và chu kỳ làm việc trước khi hoàn nguyên càng tăng.
Công ty Project Earth Industries (PEI Inc.) đã chế tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc từ nhơm, có khả năng tách asen ở 2 dạng tồn tại phổ biến ở trong nước là As(III) và As(V). Vật liệu hấp phụ này có đặc tính hóa học, diện tích bề mặt và độ rỗng cao, có khả năng hấp phụ cao hơn 10 lần so với các vật liệu thơng thường khi có mặt các ion cạnh tranh. Cường độ hấp phụ nhanh, cho phép đạt hiệu suất cao, lượng asen sau xử lý đạt dưới mức giới hạn tìm thấy của thiết bị phân tích trong phịng thí nghiệm. Loại vật liệu này cũng đã được thử nghiệm tính khơng độc hại theo tiêu chuẩn của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) và đã được thử nghiệm ở Ấn Độ và Bangladesh (1998, 1999). Thiết bị khử asen của PEI được lắp đặt ở Lalpur, Chakdah, Tây Bengal. Với công suất 1.000l/ngđ, thiết bị thử nghiệm cho phép giảm asen từ giá trị trung bình ban đầu 340ppb xuống dưới 50ppb (tiêu chuẩn nước uống của Bangladesh).
Hấp phụ bằng vật liệu Laterite
Laterite là loại đất axit có màu đỏ, rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới. Thành phần chủ yếu của Laterite là các hydroxyt sắt và nhôm, hoặc các ôxit ngậm nước của chúng, và một lượng nhỏ các hợp chất của mangan, titan. Ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương, có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang điện tích âm như asenic. Có thể đưa laterite trực tiếp vào nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc. Tại Ấn Độ, người ta đã nghiên cứu thực nghiệm để xử lý asenic với nồng độ cao trong nước ngầm bằng laterite theo tỷ lệ 5g laterite/100ml nước. Hiệu suất xử lý đạt 50 - 90%. Hiệu suất có thể đạt cao hơn khi xử lý laterite trước bằng dung dịch HNO3 0,01M. Ngồi ra, cịn nhiều vật liệu hấp phụ khác đã và đang được nghiên cứu ứng dụng để loại bỏ asen trong nước ngầm [46].
Sử dụng viên sắt có chứa clo
Khi đưa những viên sắt vào trong nước, clo có tác dụng làm chất oxy hóa, chuyển As(III) thành As(V). Sau đó As(V) sẽ bị hấp phụ lên các bơng hydroxyt hắt đã tạo thành. Sau đó khuấy trộn, để lắng rồi gạn nước trong hoặc lọc qua ống lọc.
Cặn lắng chứa asen được thải ra bãi phế thải. Asen ở đây chuyển hóa sang thể bay hơi AsH3 và khuếch tán vào khơng khí [13].
Ưu điểm
- Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp; - Đơn giản, dễ sử dụng;
- Có thể giải hấp phụ để tái sinh vật liệu hấp phụ.
Nhược điểm: Hiệu suất thấp khi áp dụng cho xử lý kim loại nặng ở nồng độ cao.
d) Các phương pháp khác
Ngồi các phương pháp kể trên cịn có thể các phương pháp xử lý As khác như: - phương pháp lọc màng
Sử dụng các loại màng vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc Nano (NF) và thẩm thấu ngược (RO) để lọc nước loại bỏ asen với hiệu quả loại bỏ và chi phí đầu tư cũng như có những ưu nhược điểm khác nhau.
- phương pháp điện hóa, phương pháp xử lý sinh học, phương pháp chưng cất bằng năng lượng mặt trời...
Ngồi hai loại vật liệu chính được sử dụng nhiều nhất trong xử lý asen trong nước ngầm là Fe, các hợp chất Fe, Al cịn có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về các loại vật liệu khác đã được nghiên cứu như các chất trao đổi ion, than hoạt tính, oxit titan, nguyên liệu cellulose, vật liệu hấp phụ cao phân tử– polymer vô cơ,…